JPH07294418A - System and method for detection of chemical substance as well semiconductor-laser-output buildup system - Google Patents

System and method for detection of chemical substance as well semiconductor-laser-output buildup system

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JPH07294418A
JPH07294418A JP7112676A JP11267695A JPH07294418A JP H07294418 A JPH07294418 A JP H07294418A JP 7112676 A JP7112676 A JP 7112676A JP 11267695 A JP11267695 A JP 11267695A JP H07294418 A JPH07294418 A JP H07294418A
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Abstract

PURPOSE: To provide a chemical substance detecting system, a chemical substance detecting method, and a semiconductor laser output build-up system capable of obtaining a stable output with a low loss. CONSTITUTION: This chemical substance detecting system is constituted of a semiconductor laser 119, an optical resonant cavity limited between the first and second inlet reflecting elements 120 and the second reflecting element 122, a return beam 136 coinciding with an incident beam 114 in the opposite direction, and a detecting system 130. A sample 128 is located in the interaction region of the cavity, and the detecting system 130 is arranged to detect the prescribed characteristic of the sample 128 in the interaction region. The detecting system 130 is located adjacently to the interaction region, and the laser 119 is optically locked with the cavity as a whole. The beam passes through the cavity practically with no loss except for the interaction with the sample 128.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、化学物質検出システ
ム、化学物質検出方法、および半導体レーザ出力ビルド
アップシステムに関し、具体的には、薬品等の化学物質
を検出するための光学系、特に化学分析物の存在に応答
して光信号を発生するセルフロッキング(自己閉塞)光
学キャビティ(self−locking optic
al cavity)に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a chemical substance detection system, a chemical substance detection method, and a semiconductor laser output build-up system, and more specifically, to an optical system for detecting chemical substances such as chemicals, particularly a chemical substance. Self-locking optic cavity that generates an optical signal in response to the presence of an analyte.
al cavities).

【0002】[0002]

【技術背景】光学技術のもつ感度及びダイナミックレン
ジは、光学検知系における用途によく適合する。従っ
て、これらの特性を利用しようとする種々の検知装置が
現在使用されている。
BACKGROUND OF THE INVENTION The sensitivity and dynamic range of optical technology is well suited for use in optical sensing systems. Therefore, various sensing devices are currently in use that seek to take advantage of these characteristics.

【0003】如何なる光学検知系においても、光源は重
要な要素である。光源を選択する際、設計者は、光の出
力レベル、高効率、低コスト、小型化、及び構造強度に
関するしばしば相反する要請の中で、一般的に釣り合い
をとる必要がある。特にこの関連での1つの有益な進展
は、半導体技術の進歩により、(アルゴンイオン又はヘ
リウムーネオンレーザのような)コヒーレントな光源
を、数メーターから(面発光量子井戸レーザダイオード
のように)数ミクロンに小型化させたことである。例え
ば、現在ではミリワットからワットまでの出力電力範囲
を有する半導体ダイオードレーザが市販されている。そ
うしたデバイスの例は、Parke,R.,等、「2.
0W cw,diffraction−limited
operation of a nomolithi
cally integratedmaster os
cillator power amplifie
r,」IEEE Photon.Tech.Let
t.,5,pp.297〜300,(1993)に記載
されている。
The light source is an important element in any optical sensing system. In choosing a light source, the designer must generally balance the often conflicting requirements of light output level, high efficiency, low cost, miniaturization, and structural strength. One useful development, especially in this regard, is that due to advances in semiconductor technology, coherent light sources (such as argon ion or helium-neon lasers) can be delivered from a few meters (such as surface emitting quantum well laser diodes) It is downsizing to micron. For example, semiconductor diode lasers with output power ranges from milliwatts to watts are now commercially available. Examples of such devices are described in Parke, R .; , Etc., “2.
0W cw, diffraction-limited
operation of a nomolithi
cally integrated master os
cillator power amplifee
r, "IEEE Photon. Tech. Let
t. , 5, pp. 297-300, (1993).

【0004】ダイオードレーザのウォールプラグ(wa
ll−plug)の効率は高いとはいえ、大ワットの光
出力を直接発生する光源は、しばしばそれを冷却するた
めさらに大ワットの電源を必要とする。それ故、検知用
途には、大ワットの光出力についての要請と、小量の電
力を僅かにしか消費しないコンパクトな携帯用装置に対
する要望とをバランスさせなければならない。
Wall plug (wa of diode laser)
Although the efficiency of 11-plug) is high, a light source that directly produces a high wattage of light output often requires a higher wattage power source to cool it. Therefore, sensing applications must balance the need for high wattage light output with the need for a compact portable device that consumes only a small amount of power.

【0005】この問題の1つの解決法は、光学キャビテ
ィ内部に捕捉された光を使用することである。光学キャ
ビティ即ち共振器は、入射光が捕捉され、鏡の間で前後
に往復する(bouncing)よう配置された2個以
上の鏡面から構成される。この方法でキャビティ内部の
光は入射光より桁違いに強力になるであろう。この一般
的な解決法はよく知られており、種々の方面で利用され
てきた。例えば非線形周波数変換(例えば、Yariv
A.,Introduction to Optic
al Electronics,2nd Ed.,Ho
lt, Rinehart,and Winston
New York,1976,8章参照)、及びさらに
広範囲には、Demtroder,W.,Laser
Spectroscopy,Springer−Ver
lag,Berlin,1982,pp.390〜39
5に記述されているような分光分析法がそれである。
One solution to this problem is to use light trapped inside the optical cavity. An optical cavity or resonator consists of two or more mirror surfaces arranged to capture the incident light and bounce back and forth between the mirrors. In this way the light inside the cavity will be orders of magnitude stronger than the incident light. This general solution is well known and has been used in various fields. For example, nonlinear frequency conversion (for example, Yariv
A. , Introduction to Optic
al Electronics, 2nd Ed. , Ho
lt, Rinehart, and Winston
See New York, 1976, Chapter 8), and, more broadly, Demtroder, W .; , Laser
Spectroscopy, Springer-Ver
lag, Berlin, 1982, pp. 390-39
That is the spectroscopic method as described in 5.

【0006】この解決法を化学検知にまで拡大するに
は、キャビティ内光と光信号を発する化学分析物との相
互作用を目当てにすることになる。光信号は、通常はコ
ヒーレントでもインコヒーレントでもよく、かつキャビ
ティ内光と同一周波数である必要はない。光信号の大き
さは、化学分析物の量及びキャビティ内光の強度により
決まる。この技法は気体監視に応用されており、そこで
は光信号が自発ラマン散乱により発生される。例えば、
米国特許第4,648,714号、「Molecula
r Gas Analysis by Raman S
cattering in Intracavity
Laser Configuration,」Benn
er,等、1987年3月10日、参照。
Extending this solution to chemical sensing involves the interaction of intracavity light with chemical analytes that emit light signals. The optical signal may typically be coherent or incoherent, and need not be at the same frequency as the intracavity light. The magnitude of the light signal depends on the amount of chemical analyte and the intensity of the light in the cavity. This technique has applications in gas monitoring, where the optical signal is generated by spontaneous Raman scattering. For example,
U.S. Pat. No. 4,648,714, "Molecular
r Gas Analysis by Raman S
cattering in Intracavity
Laser Configuration, ”Benn
er, et al., March 10, 1987.

【0007】前述の方法ではすべて、(ヘリウムネオン
放出管のような)光学的利得媒体は光学キャビティ内部
にある。典型的なダイオードレーザに関しては、キャビ
ティミラーはダイオード利得媒体自体の上に直接配置さ
れている。しかし、周波数同調及び線幅極限化のよう
な、いくつかの応用例では、ダイオード面の片面または
両面には反射防止膜が形成され、そのダイオードは、ダ
イオードの外部にあるミラーによって規定される光学キ
ャビティ内部で動作する。ダイオード利得媒体はそうし
たキャビティ内部で動作できるが、ダイオード放射面の
低損傷しきい値は、出力のビルドアップ(増強;bui
ld−up)量を厳しく制限する。換言すれば、もしダ
イオードがキャビティ内部に置かれるなら、出力をダイ
オードが破損するほど大きくは増加させることができ
ず、しかも、最大許容出力は、しばしば小さ過ぎて効率
の良い簡単な検知方式には向かない。
In all of the above methods, the optical gain medium (such as a helium neon emitter tube) is inside the optical cavity. For a typical diode laser, the cavity mirror is placed directly on the diode gain medium itself. However, in some applications, such as frequency tuning and linewidth limiting, an antireflective coating is formed on one or both sides of the diode surface, which diode is defined by a mirror external to the diode. Operates inside the cavity. While diode gain media can operate inside such cavities, the low damage threshold of the diode emitting surface can result in build-up (boosting) of the output.
ld-up) amount is strictly limited. In other words, if the diode is placed inside the cavity, the output cannot be increased so much that the diode is damaged, and the maximum allowable output is often too small for an efficient and simple sensing scheme. Not suitable.

【0008】大きい光学フィールドを発生しながらこの
限界を克服するため、ダイオードレーザは、ダイオード
レーザの放射が捕捉される別の高微細化光学キャビティ
の外部に置いてよい。この別のキャビティは以後「ビル
ドアップ」キャビティを指すものとする。しかし、ダイ
オードレーザは、高微細化ビルドアップキャビティのそ
れよりさらに大きい光学帯域幅を有するコヒーレント放
射を放出する。ビルドアップキャビティでのダイオード
レーザ放射の実質的増幅を達成するには、ダイオードレ
ーザが、キャビティのそれに近いか又は整合する線幅を
持ったコヒーレント放射を強制的に放射するようにしな
ければならない。
To overcome this limitation while producing a large optical field, the diode laser may be placed outside of another highly miniaturized optical cavity in which the diode laser's radiation is trapped. This alternative cavity will hereinafter be referred to as the "build-up" cavity. However, diode lasers emit coherent radiation with an optical bandwidth that is even greater than that of highly miniaturized buildup cavities. To achieve a substantial amplification of the diode laser radiation in the build-up cavity, the diode laser must be forced to emit coherent radiation with a linewidth close to or matching that of the cavity.

【0009】ダイオードレーザの帯域幅を減ずるため
の、よく知られた技術がいくつかある。例えば、ダイオ
ードレーザの能動的、全電子的周波数ロッキングが使用
される。しかし、この技術は、20MHz以上かそれを
さらに大きく上回る帯域幅を有する高速サーボを必要と
し、かつキャビティからダイオードレーザを光学的に大
きく分離することが必要となる。受動的ロッキングは、
能動的、全電子的周波数ロッキングを上回る重要な利点
を持っている。例えば、必要な電子的制御は、特に狭帯
域放射が必要なとき、大幅に減少し、かつ光学アイソレ
ータが要らないことであろう。
There are several well-known techniques for reducing the bandwidth of diode lasers. For example, active, all-electronic frequency locking of diode lasers is used. However, this technique requires a high speed servo with a bandwidth of 20 MHz or more, or even greater, and a large optical isolation of the diode laser from the cavity. Passive locking is
It has important advantages over active, all-electronic frequency locking. For example, the required electronic control would be greatly reduced, especially when narrow band radiation is needed, and no optical isolator would be required.

【0010】あるいは、実質的な線幅減少は、光学フィ
ードバック方式で実施してよい。例えば、Dahman
i等は、「Frequency stabilizat
ion of semiconductor lase
rs by resonant optical fe
edback,」Opt.Lett.,12,pp.8
76〜878(1987)で、ビルドアップキャビティ
へのダイオードレーザの受動的光学ロッキングを報告し
た。この技術では、ダイオードレーザからの光は、ビル
ドアップキャビティ内へ向けられ、もし光の周波数がキ
ャビティの共振周波数と整合するなら、その光は捕捉さ
れる。その時、捕捉光の一部はダイオードレーザの方向
へ逆戻りして低微細化ダイオードレーザの周波数を高微
細化ビルドアップキャビティのそれにロッキングする受
動フィードバック機構として作動する。
Alternatively, the substantial linewidth reduction may be implemented by an optical feedback scheme. For example, Dahman
i, etc. are "Frequency stability"
ion of semiconductor case
rs by resonant optical fe
edback, "Opt. Lett. , 12, pp. 8
76-878 (1987) reported passive optical locking of a diode laser into a build-up cavity. In this technique, the light from a diode laser is directed into the build-up cavity and if the frequency of the light matches the resonant frequency of the cavity, the light is trapped. At that time, some of the trapped light returns back towards the diode laser to act as a passive feedback mechanism that locks the frequency of the miniaturized diode laser to that of the miniaturized build-up cavity.

【0011】Tanner等は、「Atomic be
am collimation using a la
ser diode with a self−loc
king power buildup cavit
y,」Opt.Lett.,13,pp.357〜35
9(1988)で、入射した光より千倍以上の光をキャ
ビティ内で発生するセルフロッキング、出力ビルドアッ
プキャビティを記述しているが、彼らはセシウム原子の
光学的励起のためにのみこの強力なキャビティ内光学フ
ィールドを利用している。しかし、この技術は、Sim
onsen,H.R.が、「Frequency no
ise reduction of visible
InGaAlP laser diodes by d
ifferent optical feedback
methods,」 IEEEJ.Quant.El
ec.,29,pp.877〜884(1993)にお
いて報告しているように、最近、可視ダイオードレーザ
に応用された。
[0011] Tanner et al., "Atomic be
am collaboration using a la
ser diode with a self-loc
king power buildup cavit
y, "Opt. Lett. , 13, pp. 357-35
9 (1988) describe self-locking, output build-up cavities, which generate more than 1000 times more light in the cavity than the incident light, but they have this strong power only for optical excitation of cesium atoms. Utilizes an intracavity optical field. However, this technology
onsen, H .; R. But, "Frequency no
ise reduction of visible
InGaAlP laser diodes by d
differential optical feedback
methods, "IEEEJ. Quant. El
ec. , 29, pp. It has recently been applied to visible diode lasers, as reported in 877-884 (1993).

【0012】Dahmani等、Tanner等、及び
Simonsenによって言及されたシステムの短所
は、それらが全て弱い光学ロッキングを採用しているこ
と、即ち、ビルドアップキャビティ内の光の極小部分だ
けがダイオードレーザにフィードバックされることであ
る。しかし、弱い光学ロッキング技術の欠点は、それが
やはり、ダイオードレーザにフィードバックされた光の
大きさと位相の両方について細心の電磁的制御を必要と
していることである。このことは、例えば、米国特許第
4,907,237号,「Optical Feedb
ack Locking of Semiconduc
tor Lasers,」Dahmani,B.等、1
990年3月6日;Hemmerich,A.,等、
「Second−harmonic generati
on and optical stabilizat
ion of a diode laser in a
n external ring resonato
r,」Opt.Lett.,15,pp372〜374
(1990);及びBuch,P.とKohns,
P.,「Optically self−locked
semiconductorlaser with
servo control for feedbac
k phase and laser curren
t,」IEEE.Quant.Elec.,27,18
63(1991)において議論されている。
The disadvantage of the system mentioned by Dahmani et al., Tanner et al. Is to be done. However, a drawback of the weak optical locking technique is that it still requires careful electromagnetic control of both the magnitude and phase of the light fed back to the diode laser. This is described, for example, in US Pat. No. 4,907,237, “Optical Feedb.
ack Locking of Semiconductor
to Lasers, "Dahmani, B .; Etc., 1
March 6, 990; Hemmerich, A .; ,etc,
"Second-harmonic generati
on and optical stabilizat
ion of a diode laser in a
next external ring resonato
r, "Opt. Lett. , 15, pp 372-374
(1990); and Buch, P .; And Kohns,
P. , "Optically self-locked
semiconductorductor with
servo control for feedbac
k phase and laser curren
t, "IEEE. Quant. Elec. , 27, 18
63 (1991).

【0013】セルフロッキンク、出力ビルドアップキャ
ビティはまた、特に極端な量のコヒーレント放射の非線
形的発生に用いられている。レーザダイオードをキャビ
ティに光学ロッキングするためのビルドアップキャビテ
ィからの低〜中位(<1%)のフィードバックの使用
は、例えば、上述のHemmerich等による論文、
及びDixon,G.J..,Tanner,C.E.
とWieman,C.E.,「432−nm sour
ce based on efficientseco
nd−harmonic generation of
GaAlAsdiode−laser radiat
ion in a self−locking ext
ernal resonant cavity,」Op
t.Lett.,14,pp731〜733(198
9)、及び米国特許第4,884,276号、「Opt
ical Feedback Control in
the Frequency Conversion
of Laser Diode Radiatio
n,」Dixon,等、1989年11月28日、に記
述されている。
Self-locking, power build-up cavities have also been used for non-linear generation of particularly extreme amounts of coherent radiation. The use of low-to-moderate (<1%) feedback from the build-up cavity to optically lock a laser diode to the cavity is described, for example, in the article by Hemmerich et al.
And Dixon, G .; J. . Tanner, C .; E.
And Wieman, C .; E. , "432-nm source
ce based on efficientsec
nd-harmonic generation of
GaAlAsdiode-laser radiat
ion in a self-locking ext
internal responsivity, "Op
t. Lett. , 14, pp 731-733 (198
9), and US Pat. No. 4,884,276, "Opt.
iCal Feedback Control in
the Frequency Conversation
of Laser Diode Radio
n, "Dixon, et al., November 28, 1989.

【0014】この概念は、さらにW.LenthとW.
P.Riskによって米国特許第5,038,352に
採用されており、そこでは、反射防止(AR)膜被覆さ
れたダイオードレーザと強い(10%〜50%)フィー
ドバックとを使うことにより、ロッキングの安定度が増
すことが教示されている。さらに、W.J.Kozlo
vskyは、Lenth及びRiskと共に、Proc
eedings ofthe Compact Blu
e−Green Lasers Topical Me
etingでの「Resonator−enhance
d frequency doubling in a
n extended cavitydiode la
ser,」New Orleans,Louisian
a,Optical Society of Amer
ica,Feb.1993,p.PD2−1において、
彼らが強力な(3%)光学フィードバックをAR膜被覆
されたダイオードレーザにどのように使い、かつビルド
アップキャビティから放射された光をキャビティを通し
てダイオードレーザに反射し返す分散要素をどのように
付加したかを報告した。分散要素により周波数の安定度
が付加された。
This concept is further described in W. Lenth and W.
P. US Pat. No. 5,038,352 by Risk, where stability of locking is achieved by using an anti-reflection (AR) film coated diode laser and strong (10% -50%) feedback. Is taught to increase. In addition, W. J. Kozlo
vsky, along with Lenth and Risk, Proc
needs of the Compact Blu
e-Green Lasers Topical Me
"Resonator-enhance" at eting
d frequency doubling in a
next extended cavitydiode la
ser, ”New Orleans, Louisian
a, Optical Society of Amer
ica, Feb. 1993, p. In PD2-1,
How they used strong (3%) optical feedback in the AR film coated diode laser and how they added a dispersive element that reflected the light emitted from the build-up cavity back through the cavity to the diode laser. Reported. Frequency stability was added by the dispersive element.

【0015】ダイオードレーザ用受動的全光周波数ロッ
キング技術は、全電子的かもしくは弱光フィードバック
のロッキングより単純ではるかに安定である。何故な
ら、それによってダイオードレーザ又は光学フィールド
の精巧な電子的制御の必要性が排除されるからである。
ダイオードレーザがビルドアップキャビティに安定にロ
ッキングされることを保証するためには、ダイオード利
得媒体への支配的な光のフィードバックは、他の任意の
源からというよりはむしろビルドアップキャビティから
の、例えば、ダイオードレーザ放射面からの光のダイオ
ード利得媒体への戻り反射からであるべきである。
Passive all-optical frequency locking techniques for diode lasers are simpler and much more stable than all-electronic or weak optical feedback locking. Because it obviates the need for fine electronic control of the diode laser or the optical field.
In order to ensure that the diode laser is stably locked into the build-up cavity, the dominant optical feedback to the diode gain medium is from the build-up cavity rather than from any other source, for example , From the diode laser emitting surface, back to the diode gain medium.

【0016】典型的には、ダイオード放射面は、反射防
止膜被覆されており、システム全体はキャビティ内エタ
ロンを有する正規の半導体レーザと見なしてよい。ビル
ドアップキャビティからダイオードレーザにフィードバ
ックさる光が多ければ多いほど、安定な光学ロッキング
を可能にするダイオード放射面の反射率は高くなる。
Typically, the diode emitting surface is anti-reflection coated and the entire system can be considered a regular semiconductor laser with an intracavity etalon. The more light that is fed back from the build-up cavity to the diode laser, the higher the reflectivity of the diode emitting surface that allows stable optical locking.

【0017】前述の全ての方法のうち、大きいフィード
バックを有する全光学ロッキングを採用している僅かに
2つの例は、LenthとRisk(米国特許第5,0
38,352)によって、及びKozlovsky等に
よって開示されたものである。しかし、これらの方法の
何れも検知の用途にはうまく適用しない。言明されたこ
れらのシステムの目的に対しては、入射光の波長を半分
にすること、特に近赤外光を青色に変えることが不可欠
である。
Of all the above methods, only two examples employing all-optical locking with large feedback are Lenth and Risk (US Pat. No. 5,0,5).
38,352) and by Kozlovsky et al. However, none of these methods apply well to sensing applications. For the stated purpose of these systems, it is essential to halve the wavelength of the incident light, especially to convert the near infrared light to blue.

【0018】SiegmanがLasers,Univ
ersity Science Books,Mill
Valley,California,1986,p
p.428〜431において述べているように、光学ビ
ルドアップキャビティ内部で発生し得る出力は、キャビ
ティの光学損失に逆比例する。光学損失は、ミラーのよ
うな個々のキャビティ内要素の全ての光学損失のほぼ合
計である。
Siegman in Lasers, Univ
ersity Science Books, Mill
Valley, California, 1986, p.
p. As noted at 428-431, the power that can occur inside an optical buildup cavity is inversely proportional to the optical loss of the cavity. Optical loss is approximately the sum of all optical losses of individual intracavity elements such as mirrors.

【0019】コヒーレントな放射発生に最適である構造
は、必ず有効量の出力放射を招来する(Kozlovs
kyとLenth参照)。この変換はまた、キャビティ
内放射に対する付加的損失メカニズムとしても作用し、
光学キャビティで発生し得る出力量を減少させる。Le
nth及びKozlovskyのそれのようなシステム
で用いられる非線形結晶は、キャビティの微細度を下げ
るよう作用する付加的吸収損失を有している。これらの
実質的損失の両メカニズムは、コヒーレントな放射発生
にとって本質的である。しかし、キャビティ内化学検知
には、特にラマン気体検知には、でき得る限り大きいキ
ャビティ内出力を要し、従って、不必要なしかも実在す
る損失を組み入れた構造は何れも、鋭敏なキャビティ内
化学検知には不適当である。化学検知に最適な構造は、
実施できるような低い光学損失を有するビルドアップキ
ャビティであろうし、その結果可及的には少ない光量が
キャビティから漏れ出るようになり、従ってLenth
及びKozlovskyによって記述されたものとは根
本的に異なっている。
A structure that is optimal for producing coherent radiation always leads to an effective amount of output radiation (Kozlovs).
See ky and Lenth). This conversion also acts as an additional loss mechanism for intracavity radiation,
It reduces the amount of power that can be generated in the optical cavity. Le
Nonlinear crystals used in systems such as those of Nth and Kozlovsky have additional absorption losses that act to reduce the fineness of the cavity. Both of these substantial loss mechanisms are essential for coherent radiation generation. However, intracavity chemical sensing, especially Raman gas sensing, requires as much intracavity power as possible, and thus any structure that incorporates unnecessary and real loss is sensitive to intracavity chemical sensing. Is not suitable for. The optimal structure for chemical detection is
It would be a build-up cavity with low optical losses that could be implemented, resulting in as little light as possible leaking out of the cavity, and thus Lenth
And those described by Kozlovsky.

【0020】外部キャビティの半導体レーザの関係で
は、ダイオード出力面の反射防止膜被覆及び強力な光学
フィードバックは、安定性能を確保するには不可欠であ
ることはよく知られている。Rong−Qing,H.
とShang−Ping,T.,「Improved
rate equations for extern
al cavity semiconductor l
asers,」IEEEJ.Quant.Elec.,
25,pp.1580〜1584,1989参照。これ
らのレーザシステムはキャビティ内分光学に採用されて
いる、Baev,V.M.,Eschner,J.,P
aeth,E.,Shuler,R.,及びTosch
ek,P.E.,「Intra−cavity spe
ctroscopy with diode lase
rs,」Appl.Phys.B.,B55,pp.4
63〜477,1992参照、しかし、上述のように、
キャビティ内微細化例えばキャビティ内出力は、ダイオ
ードのレーザ面に対する光学的損傷を防ぐために慎重に
低く維持される。従って、これらの装置は、高いキャビ
ティ内出力に立脚している検知用途には不適当である。
It is well known in the context of external cavity semiconductor lasers that an anti-reflective coating on the diode output surface and strong optical feedback are essential to ensure stable performance. Rong-Qing, H .;
And Shang-Ping, T .; , "Improved
rate equations for extern
al cavity semiconductor l
asers, "IEEEJ. Quant. Elec. ,
25, pp. 1580-1584, 1989. These laser systems are used in intracavity spectroscopy, Baev, V .; M. Eschner, J .; , P
aeth, E .; Shuler, R .; , And Tosch
ek, P.E. E. , "Intra-cavity spe
ctrocopy with diode laser
rs, "Appl. Phys. B. , B55, pp. Four
63-477, 1992, but as noted above,
Intracavity miniaturization, eg, intracavity power, is carefully kept low to prevent optical damage to the laser surface of the diode. Therefore, these devices are unsuitable for sensing applications based on high intracavity power.

【0021】化学検知にとって、必要なことは、キャビ
ティ内高出力と所要の低入力を併有し、受動的かつ光学
的にロックし、それによって複雑かつ高価なロッキング
回路系の必要性を排除するコンパクトなシステムであ
る。本発明は、低入力で高出力を得ることができ(すな
わち低損失で)、かつ安定した出力を得ることができ
る、化学物質検出システム、化学物質検出方法、および
半導体レーザ出力ビルドアップシステムを提供すること
を目的とする。
For chemical sensing, what is needed is a combination of high intracavity power and the required low power, passive and optical locking, thereby eliminating the need for complex and expensive locking circuitry. It is a compact system. The present invention provides a chemical substance detection system, a chemical substance detection method, and a semiconductor laser output buildup system that can obtain a high output with a low input (that is, a low loss) and a stable output. The purpose is to do.

【0022】[0022]

【発明の概要】半導体レーザの出力ビルドアップシステ
ムは、放射面を有し、入射ビームを出力する半導体レー
ザが含まれる。光共振キャビティは、第1の入り口反射
要素と1つ以上の第2の反射要素との間で規定され、キ
ャビティ内光路に沿ってキャビティ内ビームを有するも
のである。戻りのビームは、入り口反射要素を透過し、
入射ビームと一致するが、それとは方向が逆のキャビテ
ィ内ビームの一部からなる。レーザは、完全に光学的に
キャビティにロッキングされており、キャビティ内ビー
ムは、キャビティ内を実質上無損失で通過する。
SUMMARY OF THE INVENTION A semiconductor laser output build-up system includes a semiconductor laser that has an emitting surface and outputs an incident beam. An optical resonant cavity is defined between the first entrance reflective element and one or more second reflective elements and has an intracavity beam along the intracavity optical path. The returning beam passes through the entrance reflective element,
It consists of a portion of the intracavity beam that coincides with the incident beam, but in the opposite direction. The laser is completely optically locked in the cavity and the intracavity beam passes through the cavity virtually lossless.

【0023】好ましくは、本発明は、さらにレーザと第
1の反射要素との間の入射ビーム路に回折格子(グレー
ティング)又はエタロンのような波長決定要素を包含す
る。
Preferably, the invention further comprises a wavelength determining element such as a diffraction grating (grating) or an etalon in the incident beam path between the laser and the first reflecting element.

【0024】放射面は、好ましくは、例えば反射防止膜
により、0.01より小さい又はさらに0.0001よ
り小さい反射率を持つ。戻りビームの放射面を通してレ
ーザへのフィードバックは、強く、例えば3%より大き
くてよい。
The emitting surface preferably has a reflectivity of less than 0.01 or even less than 0.0001, for example due to antireflection coatings. The feedback to the laser through the emitting surface of the return beam may be strong, eg greater than 3%.

【0025】また好ましくは、本発明は、インピーダン
ス整合のため入射光路に光学形成装置を包含してもよ
い。
Also, preferably, the present invention may include an optical forming device in the incident optical path for impedance matching.

【0026】システムの好ましい用途は、試料中の化学
物質の検出である。そのために試料はキャビティの相互
作用領域に配置され、検出系はその相互作用領域内で試
料の所定の特性(例えば、ラマン散乱光)を検知できる
ように配置される。キャビティ内ビームは、試料と相互
作用する以外は実質上無損失でキャビティ内を通過す
る。
A preferred use of the system is in the detection of chemicals in samples. To that end, the sample is arranged in the interaction region of the cavity, and the detection system is arranged so that a predetermined characteristic of the sample (for example Raman scattered light) can be detected in the interaction region. The intracavity beam passes through the cavity substantially lossless except for interacting with the sample.

【0027】本発明の別の態様は、半導体レーザは、無
修正放射面を有する高出力ダイオードレーザであること
である。この場合、本発明は、裸ダイオードのしきい値
電流より小さい電流でダイオードレーザを駆動する方法
を提供する。
Another aspect of the invention is that the semiconductor laser is a high power diode laser having an unmodified emitting surface. In this case, the present invention provides a method of driving a diode laser with a current that is less than the threshold current of the bare diode.

【0028】[0028]

【実施例】本発明は、主として、その気体検知(本発明
は、この用途に特によく適合する)における用途に関し
て説明する。しかし、本発明はまた液体検知に用いても
よい。必要な変更を以下に述べる
The present invention will be described primarily with respect to its use in gas sensing, which is particularly well suited for this application. However, the present invention may also be used for liquid sensing. The necessary changes are described below

【0029】本発明の最初の、かつ好ましい実施例を図
1で説明する。ダイオードレーザは光源110を形成
し、これは放射面112と後部面113とを有する。光
源はビーム114を放出する。光源110として適当な
市販デバイスの例は、東芝9215、日立HL6714
G、又はフィリップスCQL601D方式の単一縦モー
ドでインデックス誘導型(SLM−ID)レーザ並びに
フィリップスCQL602Dのような高出力・広領域デ
バイスがある。
A first and preferred embodiment of the invention is illustrated in FIG. The diode laser forms a light source 110, which has a emitting surface 112 and a back surface 113. The light source emits a beam 114. Examples of commercially available devices suitable as the light source 110 are Toshiba 9215, Hitachi HL6714.
There are high power, wide area devices such as the G or Philips CQL601D single longitudinal mode index guided (SLM-ID) laser as well as the Philips CQL602D.

【0030】加えて、光源110の後部面113は、
(例えば、反射防止膜被覆の結果として)低反射率をも
っていてよい。この場合は、小ミラーを光源の後部面の
背後に置いて、光源から放出された光を反射させ、後部
面を通してビーム114のラインに沿って光源へ戻すよ
うにすべきである。この配置構成の利点は、その後でこ
の追加ミラーの位置を変えて系を調整できることであ
り、また後部面113とこの追加ミラー間に(後述の)
光学要素を置いてもよいことである。この実施例を図2
を参照して以下により詳細に説明する。
In addition, the rear surface 113 of the light source 110 is
It may have low reflectivity (eg, as a result of antireflective coating). In this case, a small mirror should be placed behind the back surface of the light source to reflect the light emitted from the light source and return it to the light source through the back surface and along the line of beam 114. The advantage of this arrangement is that the position of this additional mirror can then be changed to adjust the system and also between the rear surface 113 and this additional mirror (described below).
It is also possible to place optical elements. This embodiment is shown in FIG.
Will be described in more detail below.

【0031】光源110を強化するのに必要な回路系は
従来知られており、ここには示さない。しかし、上に挙
げたものを含むいくつかの適当な半導体レーザ装置は、
典型的には、装置冷却にほとんど又は全く追加電力を使
わなければ、約100mWを越える出力はもたらさない
であろう、ということに留意。さらに、反射防止膜被覆
したダイオードレーザ又は超ルミネッセンスダイオード
のような他の半導体デバイスを光源110として用いて
よい。
The circuitry necessary to enhance the light source 110 is known in the art and is not shown here. However, some suitable semiconductor laser devices, including those listed above,
Note that typically little or no additional power used to cool the device will result in a power output greater than about 100 mW. Further, other semiconductor devices such as antireflection coated diode lasers or superluminescent diodes may be used as the light source 110.

【0032】光源110はビーム114を放出し、これ
は従来の光学形成系116により公知の方法で空間的に
形成されて、適切なインピーダンス整合を確保する。波
長決定要素118は、ビーム114の光路に包含されて
動作波長の値を設定し、ダイオードキャビティの平均光
学帯域幅を制限する。追加された従来の光ビーム形成系
135は、もし形成系116を出るビーム114が空間
的に最適化されない場合に波長決定要素118及びビル
ドアップキャビティへのインピーダンス整合の両方につ
いて必要になろう。公知の製作技術を使って、光源11
0、光学形成系116(及びもしあれば光ビーム形成系
135)、及び波長決定要素118を、破線119で示
すように、単一の光源ユニットに機械的に組み込んでよ
い。光学的な同調可能帯域フィルタとして作動する光学
形成系116及び波長決定要素118は、その構造と操
作がよく知られている従来装置でよい。ビーム114
は、図1において右向きの矢印によって示されている入
射ビームを形成する。
The light source 110 emits a beam 114, which is spatially formed in a known manner by a conventional optical forming system 116 to ensure proper impedance matching. The wavelength determining element 118 is included in the optical path of the beam 114 to set the value of the operating wavelength and limit the average optical bandwidth of the diode cavity. An additional conventional light beam forming system 135 would be needed for both wavelength determining element 118 and impedance matching to the build-up cavity if the beam 114 exiting the forming system 116 were not spatially optimized. The light source 11 is manufactured by using a known manufacturing technique.
0, the optical shaping system 116 (and the light beam shaping system 135, if any), and the wavelength determining element 118 may be mechanically incorporated into a single light source unit, as indicated by dashed line 119. The optical shaping system 116 and the wavelength determining element 118, which act as an optical tunable bandpass filter, may be conventional devices whose construction and operation are well known. Beam 114
Forms the incident beam, which is indicated by the right-pointing arrow in FIG.

【0033】ビーム114は、ミラー120、122及
び124のような反射要素から成るビルドアップキャビ
ティに衝突して、キャビティ内ビーム126を発生す
る。ミラー120は、好ましくは、傾斜させて(但しビ
ーム114の方向に垂直ではなく)ビーム114の直接
反射が光源に戻らないようにする。このことはキャビテ
ィ内ビーム126をロックする光源の能力を減ずること
になろう。傾斜したミラー120で反射したビーム11
4の一部分と、ミラー120が通す(ミラー124から
の)ビーム126の極めて小部分とを破線矢印125で
示す。
Beam 114 impinges on a build-up cavity consisting of reflective elements such as mirrors 120, 122 and 124 to produce intracavity beam 126. The mirror 120 is preferably tilted (but not perpendicular to the direction of the beam 114) to prevent direct reflection of the beam 114 back to the light source. This would reduce the ability of the light source to lock the intracavity beam 126. Beam 11 reflected by tilted mirror 120
4 and a very small portion of the beam 126 through mirror 120 (from mirror 124) is indicated by dashed arrow 125.

【0034】ビーム126は、(任意の従来セル又は他
の保持構造物に入れられている)試料128を通過し、
試料128とビーム126との相互作用により発生した
光信号は、従来の検出系130で検出される。例えばラ
マン散乱光を検出してもよい。、検出系からの出力は、
従来の処理回路132への入力信号となり、公知の分析
技術を使って試料128中の対象物質の存在もしくはそ
の量が決定される。プロセッサによる分析結果は、さら
に処理回路系(図示せず)へ回してよく、又は従来の表
示装置134上に表示してもよい。
Beam 126 passes through sample 128 (contained in any conventional cell or other holding structure),
The optical signal generated by the interaction between the sample 128 and the beam 126 is detected by the conventional detection system 130. For example, Raman scattered light may be detected. , The output from the detection system is
It becomes an input signal to the conventional processing circuit 132, and the presence or amount of the target substance in the sample 128 is determined by using a known analysis technique. The analysis results by the processor may be further passed to processing circuitry (not shown) or may be displayed on a conventional display device 134.

【0035】ビーム126の小部分は、入り口のミラー
120を通って戻りビーム136として漏れる。戻りビ
ーム136は(左向きの矢印で示すように)方向は逆だ
が入射ビーム114と一致する。入り口のミラー120
からの戻りビーム136は、波長決定要素118、光学
形成系116(及びもしあれば光ビーム形成系135)
を通過し、そしてその放射面112を通って光源110
に戻る。
A small portion of beam 126 leaks as return beam 136 through entrance mirror 120. Return beam 136 is opposite in direction (as indicated by the left-pointing arrow) but coincides with incident beam 114. Entrance mirror 120
The return beam 136 from the wavelength determining element 118, the optical forming system 116 (and the light beam forming system 135, if any)
Through the emitting surface 112 and the light source 110
Return to.

【0036】本発明は、従来の安定電流源(図示せず)
以外には光源について何ら電子的制御を要することなく
キャビティ内ビーム126の出力を入射ビーム114よ
り何桁も大きくさせるものである。さらに別の利点は、
小型で安価な光源によって試料から極めて大きい光信号
を発生することである。これは、放射面112、光学形
成系116(及びもしあれば光ビーム形成系135)、
波長決定要素118、及びミラー120、122、12
4のパラメータを選択してキャビティ内ビーム126の
出力を後述のように極大にすることによって達成され
る。
The present invention is a conventional stable current source (not shown).
Otherwise, the output of the intracavity beam 126 is orders of magnitude greater than the incident beam 114 without any electronic control of the light source. Yet another advantage is
It is to generate an extremely large optical signal from a sample by a small and inexpensive light source. This includes emitting surface 112, optical forming system 116 (and light beam forming system 135, if any),
Wavelength determining element 118 and mirrors 120, 122, 12
4 parameters to maximize the power of the intracavity beam 126 as described below.

【0037】キャビティ内ビーム126の最大強度を確
保するためは、光源110からの出力のほとんどは、ビ
ルドアップキャビティと(同じ周波数について)共振し
なければならない。換言すれば、光源はキャビティに光
学的にロッキングされるべきである。本発明により、こ
れは、光源110への支配的フィードバックが戻りビー
ム136であることを確実にすることにより達成され
る。この関連での主な問題は、光源110へ戻る、ビー
ム114の放射面112による反射である。
To ensure maximum intensity of the intracavity beam 126, most of the output from the light source 110 must be resonant (for the same frequency) with the buildup cavity. In other words, the light source should be optically locked in the cavity. According to the present invention, this is accomplished by ensuring that the dominant feedback to the light source 110 is the return beam 136. The main problem in this regard is the reflection of the beam 114 back to the light source 110 by the emitting surface 112.

【0038】本発明に従い、戻りビーム(漏れビーム)
136が支配的フィードバックであることを保証するた
めにいくつかある方法の何れかを用いてよい。もしダイ
オードレーザ(光源)110が、東芝9215、日立6
714G、又はフィリップスCQL601D方式のSL
M−ID装置であるなら、それは通常、最適の出力ビル
ドアップができるよう、裸ダイオードのしきい値電流
(分離して作動する無修正ダイオードレーザに対する電
流しきい値)以上で良好に作動する。計算と実験によ
り、戻りビーム136は、出力安定度を保証するために
は1%〜50%の範囲のフィードバックを有することが
示されている。ビーム136が支配的フィードバックで
あることを保証するために、放射面112からのビーム
114の反射は、その強度がビーム136より少なくと
も10〜100倍小さくなければならない。この場合、
放射面112はほぼ0.01又は0.001の反射率を
もつべきであり、安定なロッキングを保証するために
は、それは、好ましくは0.001と0.0001の間
のオーダーであるべきである。本発明の1つの試作で
は、キャビティからのフィードバックは10%と20%
の間と推定され、また安定なロッキングのため日立67
14G型ダイオードレーザの放射面の反射率は、0.0
01〜0.0001の範囲内であった。
Return beam (leakage beam) according to the invention
Any of several methods may be used to ensure that 136 is the dominant feedback. If the diode laser (light source) 110 is Toshiba 9215, Hitachi 6
714G or Philips CQL601D type SL
If it is an M-ID device, it usually works well above the threshold current of the bare diode (current threshold for an unmodified diode laser operating separately) for optimal output buildup. Calculations and experiments have shown that the return beam 136 has feedback in the range of 1% to 50% to ensure power stability. To ensure that the beam 136 is the dominant feedback, the reflection of the beam 114 from the emitting surface 112 must be at least 10 to 100 times less intense than the beam 136. in this case,
The emitting surface 112 should have a reflectivity of approximately 0.01 or 0.001 and it should preferably be on the order of between 0.001 and 0.0001 to ensure stable locking. is there. In one prototype of the invention, the cavity feedback is 10% and 20%.
It is estimated that it is between and Hitachi 67 for stable rocking
The reflectance of the emitting surface of the 14G type diode laser is 0.0
It was within the range of 01 to 0.0001.

【0039】これらの低反射率を得るための1つの方法
は、その面について反射防止膜を用いることによるもの
である。この反射率減少技術は公知である(例えば、E
isenstein,G.とStulz,L.W.,
「High qualityantireflecti
on coatings on laser face
sts by sputtered silicon
nitride,」Apple.Opt.,23,16
1(1984)参照)。本発明により、ダイオードレー
ザに施した反射防止膜の1つの利点は、ダイオードをキ
ャビティに位相ロックする、従来必要とした別の電子回
路系を必要としないことである。
One way to obtain these low reflectances is by using an antireflection coating on the surface. This reflectance reduction technique is known (eg, E
isenstein, G .; And Stulz, L .; W. ,
"High qualityantireflecti
on coatings on laser face
sts by sputtered silicon
nitride, "Apple. Opt. , 23, 16
1 (1984)). According to the present invention, one advantage of anti-reflective coatings applied to diode lasers is that they do not require the separate electronic circuitry conventionally required to phase lock the diode in the cavity.

【0040】あるいは、放射面を変更しないで高出力S
LM−ID又は他のダイオードレーザを用いてよい。も
しフィードバックが十分大きければ、ダイオードーキャ
ビティ系のレイジング(lasing)は、裸ダイオー
ドのしきい値電流以下で起こるであろう。ダイオードー
キャビティ系がレーザを発生しさえすれば、放射面から
の光の反射は、ダイオード利得を枯渇させない程度に十
分低くなければならない。ダイオードの電流が裸ダイオ
ードのしきい値近くまで増えると、放射面反射がダイオ
ード利得を減らし始め、続いて出力が不安定となるであ
ろう。
Alternatively, high output S without changing the emitting surface
LM-ID or other diode lasers may be used. If the feedback is large enough, lasing of the diode-cavity system will occur below the threshold current of the bare diode. As long as the diode-cavity system produces a laser, the reflection of light from the emitting surface must be low enough not to deplete the diode gain. As the diode current increases near the bare diode threshold, radiation reflections will begin to reduce the diode gain, which in turn will result in output instability.

【0041】それ故、出力ビルドアップの限界は、フィ
ードバック量と放射面反射率によって決まる。本発明の
1つの利点は、可変減衰器又は光アイソレータのような
前述のフィードバック制限装置を何ら要しないで作動で
きることである。例えば、高出力ダイオードは、裸ダイ
オードのしきい値電流以下で良好に作動し、しかも、光
がビルドアップキャビティからフィードバックされる時
にレーザを発生するのに十分な利得を有するであろう。
そうしたダイオードは、Ueno,等、「30−mW
690−nm high−power straine
d−quantum−weee AlGaInP la
ser,」IEEE J.Quant.Elec.,2
9,1851(1993);及びArimoto,等、
「150mW Fundamental−transv
erse−mode operation of 67
0nm window laser diode,IE
EE J.Quant.Elec.,29,1874
(1993)に説明されている。本発明の1つの試作で
は、高反射鏡の後部面と10%の反射率をもつ放射面と
を有する680nmのSLM−IDレーザを用いた。こ
のダイオードは、裸ダイオードのしきい値電流以下10
mAで作動し、しかも、ビルドアップキャビティの有効
反射率が10%を越えるため、適切な安定出力のビルド
アップを達成した。
Therefore, the limit of the output buildup is determined by the feedback amount and the radiation surface reflectance. One advantage of the present invention is that it can operate without any of the aforementioned feedback limiting devices such as variable attenuators or optical isolators. For example, a high power diode would work well below the threshold current of the bare diode and still have sufficient gain to generate a laser when light is fed back from the buildup cavity.
Such diodes are described in Ueno, et al., “30-mW
690-nm high-power strain
d-quantum-weee AlGaInP la
ser, "IEEE J. Quant. Elec. , 2
9, 1851 (1993); and Arimoto, et al.,
"150mW Fundamental-transv
erse-mode operation of 67
0nm window laser diode, IE
EE J. Quant. Elec. , 29, 1874
(1993). One prototype of the present invention used a 680 nm SLM-ID laser with a back surface of a high reflector and an emitting surface with 10% reflectivity. This diode is below the threshold current of the bare diode 10
Since it operates at mA and the effective reflectance of the build-up cavity exceeds 10%, an appropriate stable output build-up was achieved.

【0042】ダイオードレーザへ戻る他の反射源は最小
にすべきである。例えば、光学形成系116(及びもし
あれば光ビーム形成系135)と波長決定要素118
は、反射防止膜被覆するか、単に少し傾斜させるべきで
ある。
Other sources of reflection back to the diode laser should be minimized. For example, the optical forming system 116 (and the light beam forming system 135, if any) and the wavelength determining element 118.
Should be anti-reflective coated or simply slightly tilted.

【0043】ビーム126の強度を最大にするため、光
学形成系116(及びもしあれば光ビーム形成系13
5)は、ビーム114を形成し、ビーム126を空間的
に整合するレンズ又はプリズムのような要素を包含す
る。加えて、波長決定要素118は、特異な入射ビーム
の特性により最適に作動するだろう。例えば、もし波長
決定要素118がエタロンなら、最適入射ビームは、最
大量の光を通すため非発散でなければならない。この場
合、光学要素116は、要素118を通過できるようビ
ーム114を最適に形成し、また光学要素(光ビーム形
成系)135は、この通過光をビーム126へ空間的に
整合させる。波長決定要素118は、例えばもしそれが
回折格子なら、ビーム114も形成できることに注意さ
れたい。ある応用では、要素118の準最適の性能は許
容でき、この場合、要素135のビーム形成機能は、要
素116に組み入れてよい。
In order to maximize the intensity of beam 126, optical forming system 116 (and light beam forming system 13 if present) is used.
5) includes elements such as lenses or prisms that form the beam 114 and spatially align the beam 126. In addition, the wavelength determining element 118 will operate optimally due to the unique characteristics of the incident beam. For example, if the wavelength determining element 118 is an etalon, then the optimal incident beam must be non-divergent to pass the maximum amount of light. In this case, the optical element 116 optimally forms the beam 114 so that it can pass through the element 118, and the optical element (light beam forming system) 135 spatially aligns this passing light with the beam 126. Note that the wavelength determining element 118 can also form the beam 114, if it is a diffraction grating, for example. In some applications, sub-optimal performance of element 118 may be acceptable, in which case the beamforming function of element 135 may be incorporated into element 116.

【0044】前述のビーム形成についての構成要素及び
技術の両方とも光学分野ではよく分かっており、従来の
要素を使ってよい。ビーム126の形状は、ミラー12
0、122、及び124で形成されたビルドアップキャ
ビティで決まり、1つ以上の横電磁キャビティモードで
あってよい。
Both the components and techniques for beamforming described above are well known in the optical arts and conventional components may be used. The shape of beam 126 is mirror 12
There may be one or more transverse electromagnetic cavity modes, determined by the build-up cavity formed by 0, 122, and 124.

【0045】当業者に公知の光学形成系116(及びも
しあれば光ビーム形成系135)の設計には多くの選択
枝がある。適当な構成例は、以下のごとくである。 (a)ビーム114を集め、かつビルドアップキャビテ
ィに焦点を結ばせるための単一レンズもしくは多重レン
ズ。 (b)ビーム114をコリメートするための単一レンズ
もしくは多重レンズ、及びビーム114をビルドアップ
キャビティに焦点を結ばせるための追加レンズ。この場
合、追加レンズの位置及び焦点距離はビーム114をビ
ルドアップキャビティにインピーダンス整合するよう選
択される。 (c)(b)に加えてビーム114を循環させるための
円筒レンズ2個。 (d)(b)と同じ、加えてビーム114を循環させる
ための円柱プリズム対。 (e)(c)又は(d)と同じ、加えて非点収差補正レ
ンズ。 (f)ビーム114を平行にするGRINレンズ及びビ
ームをビルドアップキャビティにフォーカスさせるため
の第2のレンズ。
There are many options in the design of optical shaping system 116 (and light beam shaping system 135, if any) known to those skilled in the art. A suitable configuration example is as follows. (A) A single lens or multiple lenses for collecting the beam 114 and focusing on the build-up cavity. (B) A single lens or multiple lenses for collimating the beam 114, and an additional lens for focusing the beam 114 into the build-up cavity. In this case, the position and focal length of the additional lens is selected to impedance match the beam 114 to the buildup cavity. (C) Two cylindrical lenses for circulating the beam 114 in addition to (b). (D) Same as (b), plus a pair of cylindrical prisms for circulating the beam 114. (E) Same as (c) or (d), plus an astigmatism correction lens. (F) A GRIN lens for collimating the beam 114 and a second lens for focusing the beam on the build-up cavity.

【0046】構成(a)〜(f)は全て、ビーム114
を別々の効率でビルドアップキャビティに結像する。こ
の効果を補償するため、同一の光出力を発生するようダ
イオード電流を変更する必要があろう。ビーム126と
136が与えられたダイオードレーザ電流で最も強くな
るよう最高能力を有する結像系を選択しなければならな
い。この選択は、与えられた用途についての特定幾何学
的配置、並びに費用によって決まり、公知の実験的理論
的技法を使って実施してよい。
The configurations (a)-(f) are all beam 114
To the build-up cavity with different efficiencies. To compensate for this effect, it would be necessary to modify the diode current to produce the same light output. The imaging system with the highest power must be chosen so that the beams 126 and 136 are most intense at a given diode laser current. This choice depends on the particular geometry for a given application, as well as the cost, and may be made using known empirical theoretical techniques.

【0047】ビルドアップキャビティは、D=c/2L
の間隔の「櫛形」の共振周波数を持つ。ここでDはヘル
ツ単位のモード間隔であり、cは光速、及びLはビルド
アップキャビティの往復路長(round−trip
path length)である。例えば、もしL=3
0cmなら、D=0.50GHzとなる。もし特定の検
知用途でキャビティ内ビーム126が1つもしくは数個
のキャビティモードを包含すべきなら、波長(又は周波
数決定要素)118を採用しなければならない。
The build-up cavity is D = c / 2L
It has a "comb-shaped" resonant frequency with a spacing of. Where D is the mode interval in Hertz, c is the speed of light, and L is the round-trip length of the build-up cavity.
path length). For example, if L = 3
At 0 cm, D = 0.50 GHz. If the intracavity beam 126 should contain one or several cavity modes for a particular sensing application, then a wavelength (or frequency determinant) 118 should be employed.

【0048】典型的なダイオードレーザの利得媒体は、
約3THz(即ち、670nmで5nm)の幅にわたっ
て実質的利得を有し、その結果、多くのキャビティ周波
数が、ランダム状態で同時又は別々にレーザを発生し、
かつビルドアップできるようになる。波長決定要素11
8の目的は、レーザを発生できるビルドアップキャビテ
ィモード数を制限することにある。レイジングモード数
は、波長決定要素118の帯域により決まり、1つであ
ってもよい。ビーム126と136ができるだけ大きい
ことを保証するには、波長決定要素118の透過率は、
大きくなければならない。本発明の種々の稼働試作機で
は、80%以上の透過率が用いられた。
The gain medium of a typical diode laser is
It has a substantial gain over a width of about 3 THz (ie 5 nm at 670 nm), so that many cavity frequencies generate lasers in random states simultaneously or separately,
And you will be able to build up. Wavelength determining element 11
The purpose of 8 is to limit the number of build-up cavity modes that can generate a laser. The number of lasing modes depends on the band of the wavelength determining element 118, and may be one. To ensure that the beams 126 and 136 are as large as possible, the transmittance of the wavelength determining element 118 is
Must be big. In various working prototypes of the present invention, a transmittance of 80% or greater was used.

【0049】波長決定要素118には適当なフィルタ要
素があり、これは分散型か、吸収型かあるいは両者の組
合わせ型でよい。狭帯域を有する光学フィルタ又は吸収
体は、大多数のモードを多く減衰させ、従ってそれらが
増えないようにするために用いてよい。適当なフィルタ
の例には、誘電スタック帯域フィルタ、エタロン、ライ
オット・フィルタ(Lyot filter)、及び超
音波光学フィルタがある。要素118は、光源110の
後部面113に、例えば、誘電スタック反射体またはそ
の他の公知被膜を後部面113上に堆積することによ
り、組み入れてよい。この場合、後部面113の作用
は、所定の適当に狭い周波数帯だけを反射させてビーム
114の光路に沿って戻すことにあり、これによってレ
ーザを発生できるキャビティモード数を制限するのであ
る。
Wavelength determining element 118 includes a suitable filter element, which may be dispersive, absorptive, or a combination of both. Optical filters or absorbers with narrow bands may be used to heavily attenuate the majority of modes and thus prevent them from multiplying. Examples of suitable filters include dielectric stack bandpass filters, etalons, Lyot filters, and ultrasonic optical filters. The element 118 may be incorporated into the back surface 113 of the light source 110, for example by depositing a dielectric stack reflector or other known coating on the back surface 113. In this case, the effect of the back surface 113 is to reflect only a predetermined, appropriately narrow frequency band back along the optical path of the beam 114, thereby limiting the number of cavity modes in which the laser can be generated.

【0050】分散要素、例えば回折格子及びプリズム
は、ビームをある角度(光の周波数に依存)だけ偏光す
る。従って、僅か数個のビルドアップキャビティモード
だけがビーム126で発生でき、かつダイオードレーザ
光源110へ戻るビーム136を供給する。この場合、
ビルドアップできるモード数は、波長決定要素118の
分散及びこの要素とビルドアップキャビティ間の距離で
決まる。
Dispersive elements, such as diffraction gratings and prisms, polarize the beam by an angle (depending on the frequency of the light). Therefore, only a few build-up cavity modes can occur in beam 126 and provide beam 136 back to diode laser source 110. in this case,
The number of modes that can be built up is determined by the dispersion of the wavelength determining element 118 and the distance between this element and the buildup cavity.

【0051】適当な回折要素の例は、80%の透過効率
を有し、mm当り1800本の溝を持つ透過格子であ
る。反射格子を用いてもよい。本発明の試作では、mm
当り2400本の溝と反射効率90%を有する格子を用
いた。ビーム114は、波長決定要素118を通過する
際、偏光(又は反射)してよい。
An example of a suitable diffractive element is a transmission grating with a transmission efficiency of 80% and 1800 grooves per mm. A reflection grating may be used. In the prototype of the present invention, mm
A grating having 2400 grooves per side and a reflection efficiency of 90% was used. Beam 114 may be polarized (or reflected) as it passes wavelength determining element 118.

【0052】図2は、本発明の第2の実施例を説明する
もので、ここでは、後部面113は、放射面112同
様、AR膜被覆されており、さらに追加ミラー200
は、ビーム114を反射して後部面113を通して光源
110に戻す。波長決定要素118は、もしそれが今度
はミラー200と後部面113間に置かれると、上述と
同じように動作するであろう。加えて、要素118の最
適性能が得られるようビーム114を形成するには、光
学形成系116が必要になろう。この場合、これも、ミ
ラー200と後部面113間に、好ましくは(但し必要
ではないが)波長決定要素118と後部面113間に配
置されることになる。
FIG. 2 illustrates a second embodiment of the present invention, in which the rear surface 113 is AR film coated, as is the emission surface 112, and an additional mirror 200 is provided.
Reflects the beam 114 back to the light source 110 through the back surface 113. The wavelength determining element 118, if it is now placed between the mirror 200 and the back surface 113, would operate in the same manner as described above. In addition, optical shaping system 116 may be required to form beam 114 for optimum performance of element 118. In this case, this too would be located between the mirror 200 and the back surface 113, and preferably (but not necessarily) between the wavelength determining element 118 and the back surface 113.

【0053】波長決定要素118によって通された周波
数ウインド(即ち、帯域濾波)が同調できるなら、ビー
ム126の平均周波数も同調できよう。同調範囲は、最
終的にダイオードレーザ光源110の利得帯域によって
制限される。同調の例には、回折格子かエタロンの何れ
かを回転することが含まれる。本発明では、波長決定要
素118は、レーザ光源110とキャビティとの間に置
かれる。要素118は、このとき、光源の後部面113
に組み込んでよく、もしくは光源と外部の追加ミラー2
00との間に置いてよい。本発明における要素118の
位置は、それ故、例えばKozlovskyによって記
述されたそれとは根本的に異なっている。本発明のキャ
ビティの設計により、極僅かな量の光をミラー122及
び124を通して通過させることができる。
If the frequency window (ie, bandpass filtering) passed by wavelength determining element 118 could be tuned, then the average frequency of beam 126 could also be tuned. The tuning range is ultimately limited by the gain band of the diode laser source 110. Examples of tuning include rotating either the grating or the etalon. In the present invention, the wavelength determining element 118 is placed between the laser light source 110 and the cavity. The element 118 is now the rear surface 113 of the light source.
Light source and additional external mirror 2
You can put it between 00 and. The location of element 118 in the present invention is therefore radically different from that described by Kozlovsky, for example. The cavity design of the present invention allows a negligible amount of light to pass through the mirrors 122 and 124.

【0054】ミラー120、122、及び124はそれ
ぞれ、ビーム126の強度を最適化するために従来の基
準を併用して任意の特定検知用途のニーズを満足するよ
う選択した曲率半径と相対的間隔をもっている。ミラー
の反射率の値は、光学キャビティの反射率の微細さ、従
ってビーム126と136の強度を決める。実際の値
は、与えられた用途によって異なり、またそれは、主要
な考察事項ががインピーダンス整合である公知技術を用
いて、実験もしくは計算によって決めてよい。計算によ
れば、最適のインピーダンス整合したミラー120は、
50〜300(ppm)の範囲の(透過、吸収、及び散
乱損失を含む)損失をもつであろうこと、及び第2のミ
ラー122、124の損失は1〜100ppmの範囲に
なるだろうということが示されている。本発明の試作に
用いられた適当なミラーの透過損失の2つの例は、3個
のミラー全てが12ppmという透過損失を持つとき
か、またはミラー120が約100ppmの損失を有
し、かつミラー122及び124が約12ppmの損失
を持つときかである。回折格子を使う系と光路において
キャビティより後の(キャビティの「エンドミラー」よ
り向こうの)他の周波数ロッキング装置とを比べると、
本発明のエンドミラー122、124は、従って、数桁
多く反射してよく、損失を大幅に減少して本発明の効率
を高めることができる。
Mirrors 120, 122, and 124 each have a radius of curvature and relative spacing selected to meet the needs of any particular sensing application, using conventional criteria in combination to optimize the intensity of beam 126. There is. The reflectivity value of the mirror determines the fineness of reflectivity of the optical cavity and thus the intensity of the beams 126 and 136. The actual value will depend on the given application, and it may be determined empirically or by calculation using known techniques whose main consideration is impedance matching. According to calculations, the optimal impedance matched mirror 120 is
It will have losses (including transmission, absorption, and scattering losses) in the range of 50-300 (ppm), and the losses of the second mirrors 122, 124 will be in the range of 1-100 ppm. It is shown. Two examples of transmission loss of suitable mirrors used in the prototype of the present invention are when all three mirrors have a transmission loss of 12 ppm, or when the mirror 120 has a loss of about 100 ppm and the mirror 122 And 124 have losses of about 12 ppm. Comparing a system using a diffraction grating to another frequency locking device behind the cavity (away from the cavity's "end mirror") in the optical path,
The end mirrors 122,124 of the present invention may therefore reflect several orders of magnitude, significantly reducing losses and increasing the efficiency of the present invention.

【0055】ミラー120、122、及び124の最適
曲率半径も与えられた用途によって変わり、実験的もし
くは理論的に決めることができる。本発明の1つの試作
では、全てのミラー120、122、及び124の曲率
半径は17cmであった。ミラー120と122間の距
離、及びミラー120と124間の距離は、また、安定
なキャビティモードを形成できるよう従来の任意のやり
方で選択されるべきである。たった今述べた本発明の試
作では、ミラー間の間隔は14cmであった。
The optimum radii of curvature of the mirrors 120, 122, and 124 also depend on the given application and can be determined experimentally or theoretically. In one prototype of the present invention, the radius of curvature of all mirrors 120, 122, and 124 was 17 cm. The distance between the mirrors 120 and 122 and the distance between the mirrors 120 and 124 should also be selected in any conventional manner to form a stable cavity mode. In the prototype of the invention just described, the spacing between the mirrors was 14 cm.

【0056】試料128が、キャビティのビーム路に充
満する多くの気体を含有する場合は、ミラー120、1
22、及び124によって形成されるV型ビルドアップ
キャビティの2本のアーム間の角度は、小さい(例え
ば、20度未満)はずである。さもなければ、気体の変
化に起因する屈折率の変化は、ビーム114が入り口の
ミラー120を通過する際そのビームの屈折に影響を及
ぼすことになる。他のミラーの位置と曲率半径は、別の
用途、例えば1つの小さいソリッドマウント内にはめ込
めるようミラー124と120とを互いに接近させる使
い方に適するであろう。
If the sample 128 contains a large amount of gas which fills the beam path of the cavity, the mirrors 120, 1
The angle between the two arms of the V-shaped buildup cavity formed by 22 and 124 should be small (eg, less than 20 degrees). Otherwise, the change in refractive index due to the change in gas will affect the refraction of the beam 114 as it passes through the entrance mirror 120. Other mirror positions and radii of curvature may be suitable for other applications, such as bringing the mirrors 124 and 120 closer together to fit within one small solid mount.

【0057】検出系130は、発生された信号のを集め
るのに適した公知の光学系及び集めた信号を検出するた
めの検出器を組み込んでいる。検出系130の位置は、
検出系130に採用された光学系の位置で決まり、試料
128の隣もしくは他の適切などこかの場所になろう。
検出系の配置は、通常、用途によって決まり、試料が発
すると予測される(ラマン散乱又は蛍光のような)光信
号の特性についての実験又は知識により簡単に決めるこ
とができる。
The detection system 130 incorporates known optics suitable for collecting the generated signal and a detector for detecting the collected signal. The position of the detection system 130 is
Depending on the location of the optics employed in the detection system 130, it may be next to the sample 128 or some other suitable location.
The placement of the detection system is usually application dependent and can be readily determined by experimentation or knowledge of the properties of the optical signal (such as Raman scattering or fluorescence) that the sample is expected to emit.

【0058】ミラー120、122、及び124によっ
て特徴付けられる3ミラー式、V型のビルドアップキャ
ビティは、唯一の好適なキャビティ構成ではない。他の
構成を下に述べる。しかし、本発明のビルドアップキャ
ビティの一般的性質は、ダイオードレーザへの大量の光
のフィードバックが確保されることである。一般的に、
キャビティ内ビーム126に由来する単一の戻りビーム
136をもたらすキャビティ構成を選択すべきである。
V型キャビティはこのことを達成するもので、その理由
は、非共振入射ビームは何れも入り口のミラー120で
反射し、ダイオードレーザへは戻らないであろう。これ
を達成する別の方法は、リングキャビティに必要になる
ような、余分のキャビティミラーを追加することにより
行われるであろう。追加要素を必要としない好ましい例
を図2及び図3に示す。
The three-mirror, V-shaped build-up cavity characterized by mirrors 120, 122, and 124 is not the only preferred cavity configuration. Other configurations are described below. However, a general property of the inventive build-up cavity is that it ensures a large amount of optical feedback to the diode laser. Typically,
A cavity configuration should be chosen that results in a single return beam 136 originating from the intracavity beam 126.
The V-shaped cavity accomplishes this because any non-resonant incident beam will be reflected at the entrance mirror 120 and not back to the diode laser. Another way to achieve this would be by adding extra cavity mirrors, as needed for the ring cavity. A preferred example without the need for additional elements is shown in FIGS.

【0059】図3は、本発明の第3の実施例を説明する
もので、ここでは光学立方体310が図1に示されたミ
ラー120、124の代わりをする。図2及び図3の両
実施例に共通する特徴は、図1での参照番号を用いてい
ることである。特に、第1の実施例におけるように単一
ユニットに統合する必要はないが、一体化された光源、
形成光学系及び波長決定要素は119の符合が付けられ
ている。
FIG. 3 illustrates a third embodiment of the present invention, in which an optical cube 310 replaces the mirrors 120, 124 shown in FIG. A feature common to both embodiments of FIGS. 2 and 3 is that the reference numbers in FIG. 1 are used. In particular, it is not necessary to integrate it into a single unit as in the first embodiment, but an integrated light source,
The forming optics and the wavelength determining element are numbered 119.

【0060】光学立方体310は、既知の手法で2個の
プリズム312と314を一緒にして光学的にセメント
接合することにより作られる。1つの試作では、2個の
直角プリズムを使用した。プリズム312の1つの面
(事実上、入射ビーム114及び戻りビーム136に平
行な面)は強く反射するが、一方、面316と318
(事実上、光学立方体310のそれぞれ入り口及び出口
表面のビームに垂直な面)は、反射防止膜被覆されてい
る。できるだけ大きい強度を持ったキャビティ内ビーム
322を作り出すためには、表面又は面318はできる
だけ損失を低くしなければならない。プリズム312の
第3の面324(2個のプリズムの接触表面にある面)
も強く反射し、その反射率の値は、既知の何れかの手法
で、入力ビーム114をキャビティにインピーダンス整
合できるように選択される。
Optical cube 310 is made by optically cementing two prisms 312 and 314 together in a known manner. In one trial, two right angle prisms were used. One surface of prism 312 (effectively parallel to incident beam 114 and return beam 136) reflects strongly, while surfaces 316 and 318
(In effect, the entrance and exit surfaces of optical cube 310, respectively, perpendicular to the beam) are anti-reflection coated. In order to produce an intracavity beam 322 with as much intensity as possible, the surface or face 318 should be as low loss as possible. Third surface 324 of prism 312 (the surface at the contact surface of the two prisms)
Is also strongly reflected and its reflectivity value is chosen to impedance match the input beam 114 to the cavity in any known manner.

【0061】光学キャビティは、3個のミラー320、
324、及び122で形成される。この構成の利点は、
2個の光学要素が1つに統合されていることである。し
かし、プリズム材料の複屈折を減ずるよう配慮すること
が必要である。偏光−回転要素(polarizati
on−rotation element)326、好
ましくは半波長板は、ビーム114が偏光しているとき
必要となるもので、公知の従来技術を使って調整できよ
う。
The optical cavity comprises three mirrors 320,
324 and 122. The advantage of this configuration is
That is, two optical elements are integrated into one. However, care must be taken to reduce the birefringence of the prism material. Polarization-rotation element (polarizati)
An on-rotation element 326, preferably a half-wave plate, is required when the beam 114 is polarized and could be adjusted using known prior art techniques.

【0062】図4は、本発明による、再度適当な光源1
19を有する光学キャビティの第4の実施例を説明する
ものである。この実施例では、キャビティ構成は線形
で、その反射率によってビーム114をキャビティにイ
ンピーダンス整合する入り口ミラー410を有し、ミラ
ー410と122で形成されるものである。
FIG. 4 shows again a suitable light source 1 according to the invention.
4 illustrates a fourth example of an optical cavity having 19 In this embodiment, the cavity configuration is linear, having an entrance mirror 410 that impedance-matches beam 114 to the cavity by its reflectivity and is formed by mirrors 410 and 122.

【0063】この場合、正確にビーム136に沿って戻
るミラー410からの反射が存在し、これは2つの成分
から成る。第1の反射成分は、キャビティの共振周波数
の光から成り、第2の成分はその他の全ての入射周波数
の光から成る。第1の共振成分は、ミラー410と12
2のパラメータ(曲率と反射率)及びビーム114と1
26間の空間的重複の度合いの両方によって測定され
る。第1の反射成分の大きさは、ミラー410を通して
漏れ戻るキャビティ内光量と見なしてよく、それに反
し、第2の成分は、ミラー410のみのパラメータ(曲
率と反射率)によって決定される。これらの反射成分の
両方とも、光源へのフィードバックとなる。このフィー
ドバックの大きさは、さらにビーム形成光学系で決めら
れる。
In this case, there is a reflection from mirror 410 exactly back along beam 136, which consists of two components. The first reflected component consists of light at the resonant frequency of the cavity and the second component consists of light at all other incident frequencies. The first resonant component is the mirrors 410 and 12
2 parameters (curvature and reflectivity) and beams 114 and 1
It is measured by both the degree of spatial overlap between the 26. The magnitude of the first reflected component may be considered as the amount of light in the cavity that leaks back through the mirror 410, whereas the second component is determined by the parameters of the mirror 410 alone (curvature and reflectivity). Both of these reflected components provide feedback to the light source. The magnitude of this feedback is further determined by the beam forming optics.

【0064】もしそれが大きさの点で第1の共振フィー
ドバック経路に類似しているなら、第2のフィードバッ
ク経路は、光源における光学利得と競合し、出力の不安
定状態に至るであろう。光源を第1の共振フィードバッ
ク反射に安定して閉じ込めるには、第2のフィードバッ
クの大きさが第1の共振フィードバックより約10倍以
上小さいことが保証されなければならない。この場合、
例えば、光源に対する駆動電流は、その系が第1の共振
フィードバックのみに対するレイジングしきい値以上に
なるのに十分な利得だけを与えるよう選択してよい。こ
の解決法の限界は、出力の不安定状態が起こるため、光
源の利得をさらに増加できないことである。それ故、ミ
ラー410及び122によって形成されるキャビティで
ビルドアップし得る出力の量が制限されることになる。
別の、そして好ましい解法は、波長決定要素(図4では
ユニット119に含まれている)を包含させ、それを光
源とミラー410の間に置くことである。
If it is similar in magnitude to the first resonant feedback path, the second feedback path will compete with the optical gain at the light source, leading to output instability. In order to stably confine the light source to the first resonant feedback reflection, it must be guaranteed that the magnitude of the second feedback is about 10 times smaller than the first resonant feedback. in this case,
For example, the drive current for the light source may be selected to provide only enough gain so that the system is above the lasing threshold for the first resonant feedback only. The limitation of this solution is the inability to further increase the gain of the light source due to output instability. Therefore, the amount of power that can be built up in the cavity formed by mirrors 410 and 122 will be limited.
Another and preferred solution is to include a wavelength determining element (included in unit 119 in FIG. 4) and place it between the light source and mirror 410.

【0065】光学キャビティの共振モード間の周波数間
隔は、ミラーの分離距離に逆比例する。もし光源(ある
いはより正確には、光源の高い反射体、即ち、後部面1
13かミラー200の何れか)とミラー410間の距離
が、ミラー410と122との間の距離より小さいな
ら、前者における共振モード間の周波数差は、後者にお
けるより大きい。例えば、もし狭帯域フィルタが、今述
べた周波数差より小さい大きさの帯域濾波に関して用い
られようなことがあれば、第1の共振経路が依然として
レーザを発生するとはいえ、第2のフィードバック経路
はレーザを発しないようにされるであろう。同様の解決
法は、上述の波長決定要素に対して、特にそれらがエタ
ロンとして与えられるとき、可能となろう。
The frequency spacing between the resonant modes of the optical cavity is inversely proportional to the mirror separation distance. If the light source (or more precisely, the high reflector of the light source, ie the rear face 1
If the distance between either mirror 13 or mirror 200) and mirror 410 is less than the distance between mirrors 410 and 122, the frequency difference between the resonant modes in the former is greater than in the latter. For example, if a narrow bandpass filter were to be used for bandpass filtering of a magnitude less than the just-mentioned frequency difference, the second feedback path would be It will turn off the laser. Similar solutions would be possible for the wavelength determining elements mentioned above, especially when they are provided as etalons.

【0066】非共振反射を分離する別の方法は、偏光に
よる。もし半波長板のような低損失偏光−回転要素が光
学キャビティに包含されるなら、共振反射は、非共振反
射とは位相が異なり、光源とキャビティ間に偏光子を挿
入することにより区別できる。もし光源が実質的に偏光
した放射を放出するなら、さらに偏光−回転要素が必要
になろう。
Another way to separate the non-resonant reflections is by polarization. If a low-loss polarization-rotating element, such as a half-wave plate, is included in the optical cavity, the resonant reflection is out of phase with the non-resonant reflection and can be distinguished by inserting a polarizer between the light source and the cavity. If the light source emits substantially polarized radiation, then additional polarization-rotation elements would be required.

【0067】本発明について説明した実施例において、
キャビティ内ビームは、入り口の反射要素(ミラー12
0及び410又はプリズム対310)から、試料を通っ
て、エンドミラー122まで、直進するものとして示さ
れている。これは最も単純で、本発明が試料によるラマ
ン散乱のような物理的特性を理解するのに使われるとき
は、従って好ましいキャビティ内光路であるが、その必
要はない。その代わり、キャビティ内ビームは、キャビ
ティ内ビームと検出系130に関して適切に配置された
試料を有する1つ以上の中間反射要素に向けることがで
きよう。但し、実質的にキャビティ内で無損失ビルドア
ップが維持されるほど中間要素が強く反射するもので、
かつキャビティの幾何学的形状(間隔及び曲率半径)と
その制限反射要素が従来の何れかの方法で調整されて安
定なキャビティモードが形成されることが保証される場
合に限る。
In the embodiments described for the present invention,
The beam in the cavity is reflected by the entrance reflection element (mirror 12
0 and 410 or prism pair 310), through the sample, to the end mirror 122, shown as going straight. This is the simplest and therefore, although not necessary, the preferred intracavity optical path when the present invention is used to understand physical properties such as Raman scattering by a sample. Instead, the intracavity beam could be directed to one or more intermediate reflective elements with the sample properly positioned with respect to the intracavity beam and detection system 130. However, the intermediate element is strongly reflected so that lossless buildup is maintained in the cavity,
And only if the cavity geometry (spacing and radius of curvature) and its limiting reflective elements are adjusted in any conventional manner to ensure that a stable cavity mode is formed.

【0068】そうした配置は、例えば、キャビティ内ビ
ームが直接試料中を通過しないで、むしろ対象とする試
料の識別特性がビームと試料の間の何らかの他の相互作
用に基づいて検出される用途には、必要であるかも知れ
ない。何れの場合においても、試料は、光学キャビティ
のある相互作用領域に置かれることになり、これは(図
に示すように)キャビティ自体の内部であってよい。さ
らに、試料の光学損失はキャビティミラーのそれより小
さくすべきである。もしそうでないなら、ミラーの反射
率は、キャビティへのインピーダンス整合を最適化する
よう選択されなければならない。
Such an arrangement may be useful, for example, in applications where the intracavity beam does not pass directly through the sample, but rather the signature of the sample of interest is detected based on some other interaction between the beam and the sample. , May be necessary. In either case, the sample will be placed in an interaction region of the optical cavity, which may be inside the cavity itself (as shown in the figure). Moreover, the optical loss of the sample should be less than that of the cavity mirror. If not, the reflectivity of the mirror must be chosen to optimize impedance matching to the cavity.

【0069】本発明の種々の実施例においては、非線形
結晶のような何らかの損失機構をキャビティに故意に包
含させる必要はない。本発明の全ての実施例の1つの大
きな利点は、それらによって、レーザダイオード放射の
全スペクトルにわたって実質上無損失の反射が可能にな
ることである。事実、キャビティ内の固有の構造的損失
は全く無く、唯一つの「損失」は、試料によって吸収、
変換、もしくは散乱された、勿論検出系130で検出さ
れるエネルギーに関係のあるものだけであろう。
In various embodiments of the invention, it is not necessary to intentionally include some loss mechanism in the cavity, such as a nonlinear crystal. One major advantage of all embodiments of the present invention is that they enable substantially lossless reflection over the entire spectrum of laser diode radiation. In fact, there is no inherent structural loss in the cavity, the only "loss" is absorption by the sample,
Only those that have been converted or scattered, of course, are related to the energy detected by the detection system 130.

【0070】本発明は、上記の実施例に限定されるもの
ではない。すなわち、下記に述べるような好適な種々の
実施態様を有している。
The present invention is not limited to the above embodiments. That is, it has various preferred embodiments as described below.

【0071】すなわち、本発明の化学物質検出システム
は、〔1〕A)放射面を有し、かつ入射ビームを入射ビ
ーム経路に沿って出力する半導体レーザと、 B)第1の入り口反射要素と少なくとも1つの第2の反
射要素との間で限定され、キャビティ内ビーム経路に沿
ってキャビティ内ビームを有する光共振キャビティと、 C)入り口反射要素中を透過するキャビティ内ビームの
一部から成り、入射ビームと一致するがそれとは逆方向
である戻りビームと、 D)検出系と、から構成される試料中の化学物質検出シ
ステムであって、 E)試料はキャビティの相互作用領域に置かれ、検出系
はその相互作用領域内部で試料の所定の特性を検知でき
るよう配置されること、 F)検出系が相互作用領域に隣合って置かれること、 G)レーザはキャビティに対して全体的に光学ロッキン
グされること、 H)キャビティ内ビームは、試料との相互作用以外は実
質上無損失でキャビティ内部を通過することを特徴と
し、〔2〕〜〔18〕のような好適な実施態様を有して
いる。
That is, the chemical substance detection system of the present invention comprises: [1] A) a semiconductor laser having a radiation surface and outputting an incident beam along the incident beam path; and B) a first entrance reflecting element. An optically resonant cavity defined between the at least one second reflective element and having an intracavity beam along the intracavity beam path; and C) comprising a portion of the intracavity beam transmitted through the entrance reflective element, A chemical detection system in a sample, comprising: a return beam that is coincident with the incident beam but in the opposite direction; and D) a detection system, wherein E) the sample is placed in the interaction region of the cavity The detection system is arranged so that it can detect certain properties of the sample within its interaction area; F) the detection system is placed next to the interaction area; G) the laser is H) is characterized in that the beam inside the cavity passes through the inside of the cavity with virtually no loss except for the interaction with the sample. It has such a preferred embodiment.

【0072】〔2〕さらに、レーザと入り口反射要素と
の間の入射ビーム経路に波長決定要素を包含する〔1〕
に記載のシステム。
[2] Further, a wavelength determining element is included in the incident beam path between the laser and the entrance reflecting element [1].
The system described in.

【0073】〔3〕波長決定要素が回折格子である
〔2〕に記載のシステム。
[3] The system according to [2], wherein the wavelength determining element is a diffraction grating.

【0074】〔4〕波長決定要素がエタロンである
〔2〕に記載のシステム。
[4] The system according to [2], wherein the wavelength determining element is an etalon.

【0075】〔5〕入り口反射要素が50〜300pp
mの範囲の損失を有し、かつ各第2の反射要素が1〜1
00ppmの範囲にある損失を有することを特徴とする
〔1〕に記載のシステム。
[5] Entrance reflection element is 50 to 300 pp
m has a loss in the range of m, and each second reflective element is 1 to 1
The system according to [1], which has a loss in the range of 00 ppm.

【0076】〔6〕放射面を通したレーザへの戻りビー
ムのフィードバックが3%より大きい〔1〕に記載のシ
ステム。
[6] The system according to [1], wherein the feedback of the returning beam to the laser through the emitting surface is larger than 3%.

【0077】〔7〕放射面が反射防止膜被覆されている
〔1〕に記載のシステム。
[7] The system according to [1], wherein the radiation surface is coated with an antireflection film.

【0078】〔8〕放射面が0.01より小さい反射率
を有する〔7〕に記載のシステム。
[8] The system according to [7], wherein the emitting surface has a reflectance of less than 0.01.

【0079】[0079]

〔9〕放射面が0.0001より小さい反
射率を有する〔8〕に記載のシステム。
[9] The system according to [8], wherein the emitting surface has a reflectance of less than 0.0001.

【0080】〔10〕さらに、光学形成,インピーダン
ス整合装置を入射ビーム経路に包含する〔1〕に記載の
システム。
[10] The system according to [1], further including an optical forming and impedance matching device in the incident beam path.

【0081】〔11〕入り口反射要素が入射ビームに垂
直にならないような角度に置かれる〔1〕に記載のシス
テム。
[11] The system according to [1], wherein the entrance reflection element is placed at an angle such that it is not perpendicular to the incident beam.

【0082】〔12〕さらに、バックミラーを包含し、
ここで A)半導体レーザが後部面を有すること、 B)バックミラーが、後部面を出る光を反射して後部面
を通して半導体レーザへ戻すこと、を特徴とする〔1〕
に記載のシステム。
[12] Further, including a rearview mirror,
Here, A) the semiconductor laser has a rear surface, and B) the rearview mirror reflects the light exiting the rear surface and returns it to the semiconductor laser through the rear surface [1].
The system described in.

【0083】〔13〕さらに、バックミラーと後部面と
の間に配置される波長決定要素を包含する〔12〕に記
載のシステム。
[13] The system according to [12], further including a wavelength determining element disposed between the rearview mirror and the rear surface.

【0084】〔14〕後部面が反射防止膜被覆されてい
る〔13〕に記載のシステム。
[14] The system according to [13], wherein the rear surface is coated with an antireflection film.

【0085】〔15〕さらに、半導体レーザから放出さ
れる光を光学的に形成し、かつインピーダンス整合する
ための、光学形成,インピーダンス整合手段を包含する
〔14〕に記載のシステム。
[15] The system according to [14], which further includes optical forming and impedance matching means for optically forming and impedance matching the light emitted from the semiconductor laser.

【0086】〔16〕半導体レーザが狭帯域幅の反射膜
被覆される後部面を有する〔1〕に記載のシステム。
[16] The system according to [1], wherein the semiconductor laser has a rear surface coated with a reflection film having a narrow bandwidth.

【0087】〔17〕狭帯域幅の反射膜が誘電スタック
である〔16〕に記載のシステム。
[17] The system according to [16], wherein the reflection film having a narrow bandwidth is a dielectric stack.

【0088】〔18〕さらに、半導体レーザから放出さ
れる光を光学的に形成し、かつインピーダンス整合する
ための、光学形成,インピーダンス整合手段を包含する
〔17〕に記載のシステム。
[18] The system according to [17], further including optical forming and impedance matching means for optically forming and impedance matching the light emitted from the semiconductor laser.

【0089】また、本発明の化学物質検出方法は、〔1
9〕A)半導体レーザからの入射光を、入射ビームとし
て実質上無損失の、内部に障害の無い光共振キャビティ
に向けるステップ、 B)レーザを光共振キャビティに対し全体的に光学ロッ
キングするステップ、 C)試料をキャビティの相互作用領域に配置するステッ
プ、 D)相互作用領域内で試料の所定の特性を検出するステ
ップ、とからなることを特徴とし、〔20〕〜〔22〕
のような好適な実施態様を有している。
Further, the chemical substance detection method of the present invention is described in [1
9) A) directing the incident light from the semiconductor laser as an incident beam into a substantially lossless, internally unobstructed optical resonant cavity; B) globally locking the laser with respect to the optical resonant cavity; [20] to [22], characterized in that C) arranging the sample in the interaction region of the cavity, and D) detecting a predetermined characteristic of the sample in the interaction region.
The preferred embodiment is as follows.

【0090】〔20〕さらに、入射ビームの少なくとも
3%の強度を有する戻りビームをレーザへフィードバッ
クするステップを包含する〔19〕に記載の方法。
[20] The method according to [19], further comprising the step of feeding back a returning beam having an intensity of at least 3% of the incident beam to the laser.

【0091】〔21〕半導体レーザが無修正の放射面を
有するダイオードレーザであり、さらに裸ダイオードの
しきい値電流より少ない電流でダイオードレーザを駆動
するステップを包含する〔20〕に記載の方法。
[21] The method according to [20], wherein the semiconductor laser is a diode laser having an unmodified emitting surface, and the step of driving the diode laser with a current smaller than the threshold current of the bare diode is included.

【0092】〔22〕さらに、半導体レーザの放射面を
反射防止膜で被覆するステップを包含する〔20〕に記
載の方法。
[22] The method according to [20], further including the step of coating the emitting surface of the semiconductor laser with an antireflection film.

【0093】さらに、本発明の半導体レーザ出力ビルド
アップシステムは、〔23〕A)放射面を有し、入射ビ
ームを入射ビーム経路に沿って出力する半導体レーザ
と、 B)第1の入り口反射要素と少なくとも1つの第2の反
射要素間で限定され、キャビティ内ビーム経路に沿って
キャビティ内ビームを有する光共振キャビティと、 C)入り口反射要素中を透過するキャビティ内ビームの
一部から成り、入射ビームと一致するがそれとは逆方向
である戻りビームと、から構成され、 D)レーザはキャビティに全体的に光学ロッキングされ
ること、 E)キャビティ内ビームは実質上無損失でキャビティ内
部を通過すること、を特徴とするもので、〔24〕〜
〔39〕のような好適な実施態様を有している。
Furthermore, the semiconductor laser output build-up system of the present invention is [23] A) a semiconductor laser which has an emitting surface and outputs an incident beam along an incident beam path, and B) a first entrance reflecting element. And an at least one second reflective element, the optical resonant cavity having an intracavity beam along the intracavity beam path, and C) comprising a portion of the intracavity beam transmitted through the entrance reflective element, A return beam that matches the beam but is in the opposite direction, D) the laser is optically locked into the cavity, E) the intracavity beam passes through the cavity substantially lossless. [24]-
It has a preferred embodiment such as [39].

【0094】〔24〕さらに、レーザと入り口反射要素
との間の入射ビーム経路に波長決定要素を包含する〔2
3〕に記載のシステム。
[24] Further, a wavelength determining element is included in the incident beam path between the laser and the entrance reflecting element [2.
The system according to [3].

【0095】〔25〕波長決定要素が回折格子である
〔24〕に記載のシステム。
[25] The system according to [24], wherein the wavelength determining element is a diffraction grating.

【0096】〔26〕入り口反射要素が50〜300p
pmの範囲の損失を有し、かつ第2の反射要素が1〜1
00ppmの範囲にある複数の損失を有することを特徴
とする〔23〕に記載のシステム。
[26] Entrance reflection element is 50 to 300 p
has a loss in the range of pm and the second reflective element is 1 to 1
The system according to [23], characterized in that it has multiple losses in the range of 00 ppm.

【0097】〔27〕放射面が0.01より小さい反射
率を有する〔23〕に記載のシステム。
[27] The system according to [23], wherein the emitting surface has a reflectance of less than 0.01.

【0098】〔28〕放射面が0.0001より小さい
反射率を有する〔27〕に記載のシステム。
[28] The system according to [27], wherein the emitting surface has a reflectance of less than 0.0001.

【0099】〔29〕放射面を通してレーザへもどる戻
りビームのフィードバックが3%より大きい〔23〕に
記載のシステム。
[29] The system according to [23], wherein the feedback of the return beam returning to the laser through the emitting surface is more than 3%.

【0100】〔30〕放射面が反射防止膜被覆されてい
る〔29〕に記載のシステム。
[30] The system according to [29], wherein the radiation surface is coated with an antireflection film.

【0101】〔31〕さらに、光学形成,インピーダン
ス整合装置を入射ビーム経路に包含する〔23〕に記載
のシステム。
[31] The system according to [23], further including an optical shaping and impedance matching device in the incident beam path.

【0102】〔32〕入り口反射要素が入射ビームに垂
直にならないような角度に置かれる〔23〕に記載のシ
ステム。
[32] The system of [23], wherein the entrance reflective element is angled such that it is not perpendicular to the incident beam.

【0103】〔33〕さらに、バックミラーを包含し、 A)半導体レーザが後部面を有すること、 B)バックミラーが、後部面を出た光を反射し後部面を
通して半導体レーザへ戻すこと、を特徴とする〔23〕
に記載のシステム。
[33] Further, including a rear-view mirror, A) the semiconductor laser has a rear surface, and B) the rear-view mirror reflects the light emitted from the rear surface and returns it to the semiconductor laser through the rear surface. Features [23]
The system described in.

【0104】〔34〕さらに、バックミラーと後部面と
の間に配置される波長決定要素を包含する〔33〕に記
載のシステム。
[34] The system according to [33], further including a wavelength determining element disposed between the rearview mirror and the rear surface.

【0105】〔35〕後部面が反射防止膜被覆されてい
る〔34〕に記載のシステム。
[35] The system according to [34], wherein the rear surface is coated with an antireflection film.

【0106】〔36〕さらに、半導体レーザから放出さ
れる光を光学的に形成し、かつインピーダンス整合する
ための光学形成,インピーダンス整合手段を包含する
〔35〕に記載のシステム。
[36] The system according to [35], further including optical forming and impedance matching means for optically forming and impedance matching the light emitted from the semiconductor laser.

【0107】〔37〕半導体レーザが狭帯域幅の反射膜
被覆される後部面を有する〔23〕に記載のシステム。
[37] The system according to [23], wherein the semiconductor laser has a rear surface coated with a reflection film having a narrow bandwidth.

【0108】〔38〕狭帯域幅の反射膜が誘電スタック
である〔37〕に記載のシステム。
[38] The system according to [37], wherein the reflection film having a narrow bandwidth is a dielectric stack.

【0109】〔39〕さらに、半導体レーザから放出さ
れる光を光学的に形成し、かつインピーダンス整合する
ための光学形成,インピーダンス整合手段を包含する
〔38〕に記載のシステム。
[39] The system according to [38], further including optical forming and impedance matching means for optically forming the light emitted from the semiconductor laser and impedance matching.

【0110】[0110]

【発明の効果】以上述べたように、本発明では、低入力
で高出力を得ることができ(すなわち低損失で)、かつ
安定した出力を得ることができる、化学物質検出システ
ム、化学物質検出方法、および半導体レーザ出力ビルド
アップシステムを提供することができる。すなわち、本
発明によれば、光源について何ら電子的制御を要するこ
となくキャビティ内ビームの出力を入射ビームより何桁
も大きくさせることができる。またキャビティに位相ロ
ックする別の電子回路系を必要としない等により、小型
で安価な光源によって試料から極めて大きい光信号を発
生できる。
As described above, according to the present invention, a chemical substance detection system and a chemical substance detection system capable of obtaining a high output with a low input (that is, a low loss) and a stable output can be obtained. A method and a semiconductor laser output buildup system can be provided. That is, according to the present invention, the output of the intracavity beam can be increased by orders of magnitude compared with the incident beam without requiring any electronic control of the light source. Further, since a separate electronic circuit system for phase-locking the cavity is not required, a very small optical source can generate an extremely large optical signal from the sample.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】発明の第1の実施例を示す図であり、出力ビル
ドアップキャビティに対して外部にある光学ロッキング
半導体光源を有する、検知システムを説明する図であ
る。
FIG. 1 illustrates a first embodiment of the invention illustrating a sensing system having an optical locking semiconductor light source external to the output buildup cavity.

【図2】外部ミラーは光を反射して反射防止膜被覆した
後部面を通して光源へ戻す、本発明の第2の実施例を説
明する図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a second embodiment of the present invention in which an external mirror reflects light and returns it to a light source through a rear surface coated with an antireflection film.

【図3】光学立方体が、図1に示された実施例における
複数のミラーと入れ換えられる第3の実施例を説明する
図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a third embodiment in which an optical cube is replaced with a plurality of mirrors in the embodiment shown in FIG.

【図4】キャビティが線形構成を有する、本発明の第4
の実施例を説明する図である。
FIG. 4 is a fourth aspect of the invention in which the cavity has a linear configuration.
It is a figure explaining the Example of this.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

110 光源(レーザ) 112 放射面 113 後部面 114 ビーム 116 光学形成系 118 波長決定要素 119 光源のユニット 120 入り口のミラー 122,124 エンドミラー 125 ビームの一部 126 キャビティ内ビーム 128 試料 130 検出系 132 処理回路 134 表示装置 135 光ビーム形成系 136 戻りビーム 200 追加ミラー 310 光学立方体(プリズム対) 312,314 プリズム 316,318 光学立方体310の入り口及び出口表
面 322 キャビティ内ビーム 324 プリズム312の第3の面 326 偏光−回転素子 410 入口ミラー
110 Light Source (Laser) 112 Radiation Surface 113 Rear Surface 114 Beam 116 Optical Forming System 118 Wavelength Determining Element 119 Unit of Light Source 120 Entrance Mirror 122,124 End Mirror 125 Part of Beam 126 Intracavity Beam 128 Sample 130 Detection System 132 Processing Circuit 134 Display Device 135 Light Beam Forming System 136 Return Beam 200 Additional Mirror 310 Optical Cube (Prism Pair) 312, 314 Prism 316, 318 Entrance and Exit Surfaces of Optical Cube 310 322 Intracavity Beam 324 Third Surface of Prism 312 326 Polarization-rotation element 410 Entrance mirror

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダミアン・エフ・グレイ アメリカ合衆国テキサス州オースチン ク レイグ・ドライブ 4906 (72)発明者 リチャード・ジェイ・ピッタロ アメリカ合衆国カリフォルニア州サンカル ロス カリー・コート 70 ─────────────────────────────────────────────────── ——————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————— at— at at least 70% of the total amount of money on sale at the property.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 A)放射面を有し、かつ入射ビームを入
射ビーム経路に沿って出力する半導体レーザと、 B)第1の入り口反射要素と少なくとも1つの第2の反
射要素との間で限定され、キャビティ内ビーム経路に沿
ってキャビティ内ビームを有する光共振キャビティと、 C)入り口反射要素中を透過するキャビティ内ビームの
一部から成り、入射ビームと一致するがそれにと逆方向
である戻りビームと、 D)検出系と、から構成され、 E)試料はキャビティの相互作用領域に置かれ、検出系
はその相互作用領域内部で試料の所定の特性を検知でき
るよう配置されること、 F)検出系が相互作用領域に隣合って置かれること、 G)レーザはキャビティに全体的に光学ロッキングされ
ること、 H)キャビティ内ビームは、試料との相互作用以外は実
質上無損失でキャビティ内部を通過すること、を特徴と
する試料中の化学物質検出システム。
1. A) a semiconductor laser having an emitting surface and outputting an incident beam along an incident beam path; and B) between a first entrance reflecting element and at least one second reflecting element. Consists of an optical resonant cavity with a limited, intracavity beam along the intracavity beam path, and C) a portion of the intracavity beam that is transmitted through the entrance reflective element, coincident with, but opposite from, the incident beam. A return beam and D) a detection system, E) the sample is placed in the interaction region of the cavity, the detection system being arranged to detect a predetermined property of the sample within the interaction region, F) the detection system is placed next to the interaction region, G) the laser is optically locked into the cavity, H) the intracavity beam interacts with the sample Chemical sensor system in a sample outside the pass through the cavity inside substantially lossless, and said.
【請求項2】 A)半導体レーザからの入射光を、入射
ビームとして実質上無損失の、内部に障害の無い光共振
キャビティに向けるステップ、 B)レーザを光共振キャビティに対し全体的に光学ロッ
キングするステップ、 C) 試料をキャビティの相互作用領域に配置するステ
ップ、 D) 相互作用領域内で試料の所定の特性を検出するス
テップ、とからなることを特徴とする試料中の化学物質
検出方法。
2. A) directing incident light from a semiconductor laser as an incident beam into a substantially lossless, internally resonant optical resonant cavity; B) globally locking the laser with respect to the optical resonant cavity. C) arranging the sample in the interaction region of the cavity, and D) detecting a predetermined characteristic of the sample in the interaction region, the method for detecting a chemical substance in a sample.
【請求項3】 A)放射面を有し、入射ビームを入射ビ
ーム経路に沿って出力する半導体レーザと、 B)第1の入り口反射要素と少なくとも1つの第2の反
射要素間で限定され、キャビティ内ビーム経路に沿って
キャビティ内ビームを有する光共振キャビティと、 C)入り口反射要素中を透過するキャビティ内ビームの
一部から成り、入射ビームと一致するがそれに関して逆
方向である戻りビームと、から構成され、ここで D)レーザはキャビティに対して全体的に光学ロッキン
グされること、 E)キャビティ内ビームは実質上無損失でキャビティ内
部を通過すること、を特徴とする半導体レーザ出力ビル
ドアップシステム。
3. A) a semiconductor laser having an emitting surface for outputting an incident beam along an incident beam path; and B) defined between a first entrance reflecting element and at least one second reflecting element, An optically resonant cavity having an intracavity beam along the intracavity beam path, and C) a return beam consisting of a portion of the intracavity beam transmitted through the entrance reflecting element, which is coincident with the incident beam but opposite thereto. A semiconductor laser output build, characterized in that D) the laser is totally optically locked to the cavity, and E) the intracavity beam passes through the cavity substantially lossless. Up system.
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